世界各地的科學(xué)家們正在競相對DNA進(jìn)行測序以破譯遺傳的藍(lán)圖，將遺傳物質(zhì)鏈通過分子大小的納米孔使得測序相比以往更快速更廉價?，F(xiàn)在來自猶他大學(xué)的科學(xué)家們采用這種“納米”技術(shù)來發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致突變和疾病的DNA損傷。化學(xué)家們在本周6月18日的《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上報告了最新的進(jìn)展。

 

“我們在利用這一技術(shù)和有機(jī)合成化學(xué)從而在DNA通過納米孔時能夠看到損傷位點，”新研究的共同資深作者、猶他大學(xué)化學(xué)系主任和著名教授Henry White說。

 

DNA鏈?zhǔn)怯梢阎?/SPAN>A、T、G和C“核苷酸堿基”構(gòu)成，DNA鏈的一些片段是基因。

 

新方法尋找的是稱為“脫堿基位點”的堿基缺失位點，它是人類基因組30億堿基中最常見的一種損傷形式。當(dāng)我們接觸到從陽光到汽車尾氣等一切事物時在一個典型的細(xì)胞中這種損傷每天發(fā)生1.8萬次。大部分損傷會得到修復(fù)，然而有時候它會導(dǎo)致基因突變并最終致病。

 

文章的另一位資深作者、猶他大學(xué)著名化學(xué)教授Cynthia Burrow說將納米孔損傷檢測與其他改變DNA的化學(xué)方法相結(jié)合，研究人員希望通過將損傷轉(zhuǎn)換為缺失的堿基從而使這種新技術(shù)能夠檢測到其他類型的DNA損傷。

 

她補(bǔ)充道：“DNA堿基損傷會導(dǎo)致許多年齡相關(guān)的疾病，包括黑色素瘤、肺癌、結(jié)腸癌和乳腺癌；亨廷頓舞蹈癥以及動脈粥樣硬化?！?/SPAN>

 

朝著更廉價、更快速的DNA測序

 

測序就是指確定構(gòu)成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的兩條堿基鏈其中一條核苷酸堿基A、C、G和T順序的過程。它是用于測定活生物體基因組或遺傳藍(lán)圖，以及發(fā)現(xiàn)基因中致病突變的一種基本方法。

 

White 說：“20年前，測序首個人類基因組的成本為10億美元，而現(xiàn)在成本支付在5千到2萬美金之間。國立衛(wèi)生研究院已經(jīng)啟動了為期數(shù)年的1000美金基因組計劃，未來價格有可能降到更低?！?/SPAN>

 

DNA測序在很多方面都極其重要。它可被警察用于表明或澄清犯罪嫌疑，生物學(xué)家用它來了解每個活生物體?！澳憧梢詫⑺鼞?yīng)用到農(nóng)業(yè)中修飾一個植物基因組來生成更好的植物，”White說。

 

納米孔測序讓浸入在稱為電解質(zhì)的電荷溶液中的DNA鏈通過納米孔。一些溶液也正流過孔隙。不同DNA堿基通過孔隙時，會阻止不同量的電氣化溶液通過孔隙從而研究人員可以檢測到不同的電流水平。

 

利用納米孔尋找損傷

 

與獲得DNA納米孔測序的努力不同，在DNA鏈通過孔隙時猶他大學(xué)的化學(xué)家們并沒有讀取DNA序列——盡管他們最終希望這樣做，然而“我們正在檢測的是單堿基損傷，”White說。

 

他補(bǔ)充說：“了解一個損傷堿基如何導(dǎo)致突變是非常重要的，因為這是疾病發(fā)生的第一步?，F(xiàn)在，我們可以看到受損位點并說出它在我們正分析的DNA片段內(nèi)大約位置?！薄蠹s5個或10個堿基內(nèi)。我們的目標(biāo)是精確定位損傷位點，了解特異位點的損傷如何導(dǎo)致疾病。

 

到目前為止，猶他大學(xué)化學(xué)家們使通過納米孔的最長DNA片段為大約100個堿基，他們能夠檢測1個或2個受損位點。

 

White 說：“我們還有大量的研究要做，并提出改善的途徑。這是非常有前景的新方式。目前還沒有其他的方法可以做我們正試圖在做的事情，”換句話說，不僅確定損傷，而且得到序列信息精確定位在一條DNA上的損傷位點。

 

許多DNA測序儀和猶他大學(xué)化學(xué)家所利用的孔是一種稱為α-溶血素的來自細(xì)菌的蛋白。為了讓DNA通過這一孔隙，用玻璃管底部的玻璃膜制成一個小孔（僅400納米寬，大約一根人頭發(fā)的一半寬度）。脂質(zhì)雙分子層擴(kuò)展開，形成跨孔的膜。這種蛋白質(zhì)孔嵌入在脂質(zhì)雙層中。

 

蛋白質(zhì)孔有點呈蘑菇形狀——頂部較寬用于捕獲DNA鏈，底部較窄是DNA鏈必須通過小孔之處。小孔最窄的部分只有1.4納米寬，相比必須通過孔隙的1納米寬的單鏈DNA并不寬多少。

 

數(shù)十億個構(gòu)成一條DNA鏈的堿基附著到糖和磷酸鹽骨架上。為了以缺失堿基的形式尋找DNA損傷，研究人員接通了電壓，使得電流通過電解液。因為構(gòu)成DNA骨架的磷酸鹽為負(fù)電荷，在孔外液體中的陽電極會拉著DNA通過孔隙。

 

研究人員通過去除一些堿基在一些DNA上構(gòu)建出損傷。堿基缺失的地方，DNA骨架上的糖被暴露。化學(xué)家將一個環(huán)形或冠形的化學(xué)品“18-crown-6 ether”附著到糖上。

 

其訣竅是讓附著冠醚（crown ether）的DNA緩慢通過納米孔從而使缺失的堿基可以被檢測到。

 

Burrows將這一過程比喻成穿針。DNA鏈一旦通過針眼，就可以快速通過，存在的微小損傷位點（DNA中的凹痕）永遠(yuǎn)不會被注意到。除了在這種情況下，化學(xué)家們將凹痕轉(zhuǎn)變?yōu)榱?/SPAN>DNA鏈的小環(huán)冠醚。DNA通過通過小孔的速度取決于標(biāo)記DNA損傷位點的冠醚環(huán)的硬度和大小。這可以通過將鹽添加到環(huán)上進(jìn)行改變。

 

化學(xué)家們測試了不同的鹽尋找最好的用作電解質(zhì)：氯化鉀，氯化鋰和氯化鈉。無論是用什么鹽，正離子（鉀、鋰或鈉）在環(huán)內(nèi)結(jié)合。當(dāng)DNA鏈通過孔隙時這可以幫助研究人員讀取電流。

 

但是由于鉀太大，使得醚環(huán)如此堅硬它不能壓縮通過納米孔。鋰太小，使得醚環(huán)太快通過納米孔不能檢測到損傷。

 

但是當(dāng)Burrows和同事們利用來自食鹽的鈉，DNA和標(biāo)記DNA損傷位點的冠醚以適當(dāng)?shù)乃俣然^納米孔被檢測到：一個未損傷DNA堿基大約百萬分之一秒，標(biāo)記一個堿基缺失位點的一個冠醚環(huán)大約需千分之一秒，Burrows說。